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農(nóng)村水電站安全風險評估與保障技術

文檔作者：徐錦才董大富金華頻舒靜蔡新文檔來源：水利部農(nóng)村電氣化研究所河海大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月13日
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第二屆“中國小水電論壇”論文專輯 SMALL HYDRO POWER 2011No6，Tota／No162
農(nóng)村水電站安全風險評估與保障技術
徐錦才董大富 金華頻舒靜(水利部農(nóng)村電氣化研究所浙江杭州 310012)
蔡新(河海大學 江蘇南京210098)
【摘要】在對我國農(nóng)村水電站安全現(xiàn)狀進行現(xiàn)場調研和檢測的基礎上，分析研究我國農(nóng)村水電站安全風險評估方法，
通過分析農(nóng)村水電站致災后果風險和提出相應的安全保障措施，可以減少或避免農(nóng)村水電站重大安全事故的發(fā)生，提升我
國農(nóng)村水電站安全管理水平和促進行業(yè)科技進步。
【關鍵詞】農(nóng)村水電站安全風險評估保障技術
0 引言
根據(jù)對浙江、福建、湖南、陜西、四川和貴州
等省份農(nóng)村水電安全現(xiàn)狀調查和現(xiàn)場檢測，老電站
主要存在如下問題：
1)受當時技術和管理水平的制約，工程設計
標準偏低，施工質量不高，加之多年運行，壩體滲
水、引水渠失修、壓力管道老化銹蝕、廠房及附屬
設施防洪標準偏低等現(xiàn)象嚴重。 ．
2)普遍存在技術落后、設備老化和效率低等
問題，大部分電站存在安全隱患。
3)部分電站業(yè)主單純追求經(jīng)濟利益，重電站
發(fā)電量，輕安全生產(chǎn)。
為此，需要通過安全風險評估，找出農(nóng)村水電
潛在的危險因素，分析引起系統(tǒng)災害的工程技術狀
況，提出降低危險性的措施。
1 農(nóng)村水電的風險評估方法 ‘
綜合分析評定農(nóng)村水電站的安全風險因子、致
災后果(損失)影響因子，建立群水電站風險指數(shù)
排序計算方法，可用以區(qū)別輕重緩急，優(yōu)先安排風
險大的農(nóng)村水電站進行更新改造，科學合理地安排
收稿日期：2011—09—22
基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項目(200801019)；
2010年科研院所技術開發(fā)研究專項資金項目
(2010EG136295)。
作者簡介：徐錦才(1969一)，男，教授級高級工程師，水
利部農(nóng)村電氣化研究所副所長。
Email：jcxu@hrcshp．org
· 50 ·
計劃 為決策者提供科學合理的安全保障措施實施
依據(jù)。
1．1 農(nóng)村水電站的安全評價
由于農(nóng)村水電站是一個外延不太明確而內涵豐
富的概念，其安全“正?！迸c否，是一個模糊的概
念，其評價指標的“安全”與“基本安全”、“基本
安全”與“不安全”等之間，在質上沒有十分嚴格
的定義，在量上也沒有一個明確的界限，它們之間
實際上存在著一個模糊漸變過程。水電站整體安全
評價涉及的因素也比較復雜，這些因素自身表現(xiàn)為
隨機性，與健康狀態(tài)的關系又表現(xiàn)為模糊性。對農(nóng)
村水電站安全性這樣一個模糊的概念進行綜合評
價，用傳統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學是十分困難的。模糊數(shù)學理
論作為處理事物模糊性問題的一種有效工具和重要
手段，將其應用到農(nóng)村水電站安全評價中來是合理
的、可行的。
農(nóng)村水電站整體性安全評價系統(tǒng)可看作為泄洪
體系與發(fā)電體系的并聯(lián)，且發(fā)電體系中各項子系統(tǒng)
又為串聯(lián)。水電站系統(tǒng)如下所示：
擋水壩==>
發(fā)電系統(tǒng)
有壓式：
無壓式：
進水口一壓力隧洞一調壓室
一壓力管道一廠房一開關站
一尾水渠
進水口一沉砂池一引水渠一
Et調節(jié)池一壓力池一壓力管
道一廠房一開關站一泄水道
L泄洪系統(tǒng)一下游保護對象
假設水電站包含 個建筑物，參照前文所述
不同建筑物評價方法按照水電站的功用，得出各個
建筑物的權重為W= [W1，w2，?，wm]，通過水
小水電2011年第6期(總第162期) 第二屆“中國小水電論壇”論文專輯
電站單個建筑物安全評價，可知各個建筑物的安全
性態(tài)特征值H= [日1， ， ， ] ，水電站的
整體性安全評價值為：
Q= l Wl，w1，? ，w J × 【 1， 日l， ? ，
]T wili，i=1，2，?，m (1)
對于串聯(lián)體系，線路中的任何一個建筑物出現(xiàn)
故障都可能造成水電站無法運行，也就是說存在變
權問題，當建筑物為不安全的狀態(tài)時，其權重上
升，甚至出現(xiàn)“一票否決”現(xiàn)象。實際操作中，某
些建筑物出現(xiàn)故障時，雖然已評價為不安全，但由
于現(xiàn)實條件的約束，可能并不影響輸水的進行。如
某關閉著的閘，由于啟閉機故障無法正常開啟而評
價為不安全，但在發(fā)電引水運行中，該閘并不需要
開啟，則不影響輸水的進行；又比如明渠，事實上
如果是任何輸水方式的必然通道，又在必須保證用
水戶用水的情況下，則認為其不安全時仍可過水。
農(nóng)村水電站水工建筑物種類繁多，按照水電站
從上游到下游的建筑物構成體系，農(nóng)村水電站建筑
物常有擋水壩、進水口、引水渠、壓力前池、壓力
管道、廠房、開關站、泄水道、壓力隧洞、調壓
室、尾水渠等。農(nóng)村水電站各建筑物評價體系構
建、指標權重獲取、指標量化可以應用模糊數(shù)學理
論，研究相關隸屬函數(shù)的確定、模糊算子的選擇、
模糊評價結果等模糊綜合安全評價問題，建立農(nóng)村
水電站水工建筑物安全模糊綜合評價模型，設計模
糊綜合評價的流程。
傳統(tǒng)水工金屬結構安全風險評價主要采用安全
系數(shù)法。但是，安全系數(shù)法是一種半理論半經(jīng)驗J生
質的方法，許多安全評價指標無法直接得到其安全
系數(shù)，需要由專家進行評判打分，存在很大的人為
因素影響?？梢詮陌踩院湍途眯苑矫嫣岢隽怂?
金屬結構的安全評價體系，通過分層考慮各個子目
標的可靠度，進而得到水工金屬結構整個體系的可
靠指標。
電氣設備安全性一般采用確定性指標表示，如
最常采用N一1準則，以及在某一特定故障下能否
維持穩(wěn)定或正常供電等，因此電氣設備安全性評價
的著眼點是安全基礎，反過來說就是危險因素。它
不是圍繞已經(jīng)發(fā)生的事故進行分析和評價，而是對
“系統(tǒng)”現(xiàn)存的有可能導致特大、重大事故和惡性
頻發(fā)事故的危險因素及其嚴重程度進行辨識和評
價，因此它可以具體、全面地反映安全生產(chǎn)的薄弱
環(huán)節(jié)，從而提高對事故的預見性和超前控制事故的
能力?？梢赃\用概率安全評價方法(PSA)，從電
力系統(tǒng)安全性分析的角度對農(nóng)村水電站電氣設備故
障安全可靠性進行分析和評價，建立水電站故障樹
模型以及對頂事件發(fā)生的概率進行定量計算；在此
基礎上，運用最小割集法劃分出影響系統(tǒng)安全性的
電氣設備組合及其引發(fā)事故的概率。
1．2 農(nóng)村水電的致災風險分析
農(nóng)村水電站的致災風險評價，既是農(nóng)村水電站
風險分析的需要，也是基于風險評價理論的更新改
造決策排序中需要解決的問題。
1)農(nóng)村水電致災后果評價模型
按照目前的研究成果，對農(nóng)村水電致災的后果
評價一般包括生命損失評價、經(jīng)濟損失評價、社會
及環(huán)境影響評價等三部分。致災后的損失評價是廣
泛的，不僅包括經(jīng)濟損失，更重要的是難以用經(jīng)濟
指標度量的人員傷亡損失分析，各評價部分的計算
方法及標準也各有差別。但是，農(nóng)村水電站的致災
風險分析必須確定總的損失，即各種損失應該由相
同的單位進行衡量。
為此，需要研究潰壩后果的統(tǒng)一衡量標準。根
據(jù)己有的潰壩后果評價分析，將農(nóng)村水電站致災后
果用各種損失的嚴重程度來衡量，對生命損失、經(jīng)
濟損失、社會及環(huán)境的影響等三個方面分別給出損
失的嚴重程度，再對三個部分分別給予不同的權
重，最后由嚴重程度與相應的權重計算致災后果綜
合系數(shù)，此綜合系數(shù)即等同于農(nóng)村水電站致災的損
失值。
2)農(nóng)村水電致災人員損失風險計算方法
農(nóng)村水電站的致災后果評價中，首先應考慮的
損失是影響區(qū)內人口的生命損失，其計算及標準的
制定原則是研究單個農(nóng)村水電站致災后的風險研究
的重要內容，影響區(qū)內的人口密度、總數(shù)等都對生
命損失的大小及嚴重程度有很大的影響。對水電站
更新改造排序的初篩階段的人員損失風險研究，可
以根據(jù)上述影響人員傷亡的因素進行人員生命損失
數(shù)量的計算，再根據(jù)計算的可能傷亡人員數(shù)量進行
劃分其嚴重程度指標，并與其它損失的嚴重程度指
標一并處理，得到致災后的綜合系數(shù)，以便決策排
序。關于水電站致災后的生命損失(人口數(shù)量)的
計算，可根采用Dekay&amp;amp;McClelland方法和Graham方法。
Graham方法中，考慮了洪水的嚴重性及風險
人口對洪水嚴重性的理解，將計算分為6個步驟，
· 5】 ·
第二屆“中國小水電論壇”論文專輯 SMALL HYDRO POWER 2011No6，Tota／Nol62
特點是模型較簡單，考慮因素角全面，但計算工作
量較大，可用于水電站風險的初步分析階段的人口
生命損失計算。
Dekay&amp;amp;McClelland方法是根據(jù)大量的國外潰壩
和洪水泛濫造成災害的歷史統(tǒng)計資料，推導出與報
警時間、風險人El及洪水強度等有關的生命損失經(jīng)
驗公式，這種方法適合于農(nóng)村水電站更新改造排序
的初篩階段的人員損失計算。其生命損失的數(shù)量為
與報警時間、洪水強度有關的指數(shù)函數(shù)：
LOL：0．075(PAR)o．56 exp [一0．759 +
(3．790—2．223 Wr)F ] (2)
式中，LOL為潛在的生命損失(人)；PAR為
風險人口(人)； 為報警時間(h)；F 為洪水
強度系數(shù)，當高水力風險( )的峽谷泛濫區(qū)，
水深流急則 =l，低水力風險(L )的平原泛濫
區(qū)，水淺流緩則F =0。人員損失隨風險人口呈非
線性增加，而報警時間對人員損失值影響甚大。公
式(2)是國外的統(tǒng)計資料得到的經(jīng)驗公式，用于
我國時還應該對某些系數(shù)加以適當修改，應根據(jù)調
查的當?shù)貧v史資料，并適當考慮目前的各種減災措
施及實施情況，由專家及技術人員論證F 和報警
時間 。
2 保障措施
農(nóng)村水電站安全風險控制方法和措施主要包括
除險加固、降等報廢、拆除重建等。確定1座水電
站是否需要采取措施以及采取何種措施時，應根據(jù)
水電站病險的具體情況，在現(xiàn)存工程的基礎上，采
取綜合加固措施，消除病險，恢復和完善水電站原
有的功能，在確保安全的前提下，使水電站正常運
行發(fā)揮其興利除害的作用。水電站加固的處理措施
一般有以下這些方面：
1)提高大壩防洪能力。增加水庫調蓄能力，
提高削減洪峰的作用，必要時再結合擴建泄洪
設施。
2)防滲處理的工程措施。大壩滲漏處理總原
則是“上截下排”。上截就是在壩體上游側封堵滲
漏入口，或者延長滲透途徑，盡量減少滲透水流滲
入壩身和壩基；下排就是在下游做好反濾和導濾設
施，使?jié)B入壩身和壩基的滲水在不帶走顆粒的前提
下安全暢通地排到下游，以保持土體的滲透穩(wěn)定，
保證工程的安全運行。
3)大壩不穩(wěn)定處理。分析壩身不穩(wěn)定的原因，
· 52 ·
有針對性地采取不同的減少滑動力與增加抗滑力的
措施，有效增強壩體穩(wěn)定性。
4)輸水建筑物改造措施。輸水建筑物改造措
施有涵管加固處理、擋墻加固處理、引水渠加固處
理、閘門滲漏處理和金屬結構及啟閉設施加固處
理等。
5)金屬結構及啟閉設施加固處理。對于老化
與銹蝕嚴重或超過使用年限的壓力鋼管及老化嚴
重、啟閉不靈的啟閉設施可作更新處理。對于一般
銹蝕的金屬閘門及使用情況尚好的啟閉設施可作防
銹處理及保養(yǎng)維修即可。
6)水輪發(fā)電機組更新改造。改造老電站水輪
機時，蝸殼、座環(huán)、機坑里襯、尾水管肘管等埋入
部件和水工設施還可以繼續(xù)利用，在制定改造方案
時可只更換采用新材料、新工藝、新設計的高效轉
輪，充分利用原機組可利用的部件，以節(jié)省改造投
資。對于發(fā)電機可在原來電機槽空間內，利用更薄
的新絕緣材料和工藝，增加導線截面積，降低導線
電阻損耗，增加導線電流實現(xiàn)增容改造。
7)非工程措施。為確保水電站的運行安全，
應統(tǒng)一觀測方式，確保所有測壓管達到同一精度，
保證觀測資料的連續(xù)性、準確性，增設及更新各建
筑物內的水位自動觀測計、測壓計、測壓管、沉陷
位移觀測點，并配備應有的觀測設備，以便及時觀
察水電站各建筑物的運行狀態(tài)，及早處理內部隱
患。同時，還應加強水文測報系統(tǒng)和通訊設施的
建設。
根據(jù)農(nóng)村水電站安全風險水平高低，兼顧更新
改造和技術改造后的經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境效益，
研究確定其更新改造和技術改造的排序方法。從而
提高農(nóng)村水電站的安全可靠性、能量轉換效率和環(huán)
境友好性。
3 結語
農(nóng)村水電進行安全風險評估和相應保障技術應
用于我國面廣量大的農(nóng)村水電站安全管理工作，將
減少或避免農(nóng)村水電站重大安全事故的發(fā)生，為行
業(yè)主管部門實施對我國農(nóng)村水電站安全的有效管理
提供技術支撐，使農(nóng)村水電在為“三農(nóng)”服務和推
動可再生能源發(fā)展等方面發(fā)揮更大的作用。
一
責任編輯吳昊

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